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现场总线复习资料
第1章绪言
根据国际电工委员会IEC和现场总线基金会FF对现场总线的定义:
现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。
两种应用方式:
H1和H2
H1:
(低速方式)用于替代直流0-10mA或4-20mA以实现数字传输。
它的传输速度较低,每秒几千波特,但是传输距离长。
H2:
(高速方式)传输速度较高,但是传输距离短。
现场总线控制系统:
由现场总线与现场智能设备组成的控制系统。
其集通信技术、计算机技术、控制技术和现场智能设备。
现场总线的特点:
1、现场通信网络2、现场设备链3、互操作性4、分散的功能块5、现场总线供电6、开放式互联网。
LAS(链路回路调动器)
现场总线结构:
信息层
控制层
设备层
FCS的内涵:
1、FCS的核心是现场总线协议,即遵守国际通用的现场总线标准。
2、FCS的基础数字智能现场设备,它是FCS的硬件支持。
3、FCS的本质是信息处理现场化,这是FCS效能的体现。
第2讲数据通信基础
数据通信
数据:
数据是对数字、字母及其组合的一种表达方式。
工业数据一般是指与生产过程密切相关的数值、状态、指令的表达。
数据通信:
数字通信是两点或多点之间借助某种传输介质,以二进制的形式进行信息交换的过程。
数据通信系统的组成:
1、发送设备2、接收设备3、传输介质4、传输报文5、通信协议(通过一定处理的信息)
数据通信系统实际上是一个硬软件的结合体
数字通信技术主要涉及通信协议、信号编码、接口、同步、数据交换、安全、通信控制与管理等问题。
数据通信系统主要负责将数据按编码格式在两点之间准确的传输,一般不对传输内容做任何修改。
广义通信系统模型(农(C.E.Shannon))
信源为待传输的数据信息的产生者
发送器将数据信息变换为适合于信道上传输的信号
接收器从信道上接收信号并在信宿处变换为数据信息
信道指发送器与接收器之间用于传输信号的物理介质
影响通信信号的噪声:
传输过程中影响接收者正确接收和理解信号
事先约定的通信协议:
通信设备之间控制数据通信与理解通信数据意义的一组规划,称为通信协议。
协议定义了通信的内容,通信何时进行以及通信如何进行等。
完整的通信协议规定用以控制信息、通信的各方面的规则、标准或行规。
传输介质
传输介质:
从发送设备到接受设备之间信号传递所经过的媒介,是网络中连接收发双方的物理通路。
双绞线、电缆、电力线、光缆等有线介质;无线传输介质,如电磁波、红外线;
传输介质的特性对网络中数据通信质量影响很大。
物理特性:
传输介质的物理结构;
传输特性:
对数据传送所允许的传输速率、频率、容量以及调制技术;
连通特性:
点对点;一对多点的连接方式;
地理范围:
传输介质的最大传输距离;
抗干扰性:
防止噪声与电磁干扰对信号影响的能力
性能价格比
报文与通信协议
报文与通信协议都属于通信系统中的软件
一般把需要传送的信息,包括文本、命令、参数值、图片、声音等称为报文。
它们是经过数字化后的信息。
通信设备之间控制数据通信与理解通信数据意义的一组规则,称为通信协议。
协议定义了通信的内容、通信何时进行以及通信如何进行等。
协议的关键要素是语法、语义和时序。
完整的通信协议规定了用以控制信息通信的各方面的规则。
语法:
指通信中数据的结构、格式及数据表达的顺序。
如可以定义数据的前面8位(或16位)是发送者的地址,接着的8位(或16位)是接收者的地址,后面紧跟着的是要传送的指令或数据等。
语义:
指通信帧的位流中每个部分的含义,收发双方正是根据语义来理解所通信数据的意义。
如该数据表明了现场的温度测量值,该点温度是否处于异常状态,该温度测量仪表本身的工作状态是否正常等。
时序:
时序包括数据的发送时间和发送速率。
收发双方往往需要以某种方式校对时钟,并协调数据处理的快慢,才能保证通信的正常进行。
通信系统的性能指标
有效性指标:
数据传输速率:
T为发送一位代码的最小单位时间
n为信号的有效状态。
某个脉冲只包含两种状态,则n=2,
数据传输速率的单位:
bit/sbps
工业数据通信中常用的标准数据信号速率为:
9600、31.25K、500K、1M、2.5M、10M以及100Mbps
比特率:
通信系统每秒传输数据的位数为比特率,记作bps。
波特率:
1波特(Baud或B)指信号大小方向的一个变化波形。
每秒传输信号波形的变化次数称为波特率
对二进制位脉冲的单比特信号,传输速率为9600bps,其波特率为9600B,即每秒可传输9600个二进制脉冲。
如果信号由2个比特组成,当传输速率为9600bps时,其波特率只有4800B。
讨论信道的传输频带宽度时,通常采用波特率;在涉及系统实际的数据传送能力时,则使用比特率
频带利用率:
指单位频带内的传输速度。
它是衡量数据传输系统有效性的重要指标。
单位为bps/Hz,即每赫兹带宽所能实现的比特率。
由于传输系统的带宽通常不同,因而通信系统的有效性仅仅看比特率是不够的,还要看其占用带宽的大小。
协议效率:
是衡量通信系统软件有效性的指标之一。
协议效率是指所传输的数据包中的有效数据位与整个数据包长度的比值。
一般是用百分比表示,它是对通信帧中附加量的量度。
不同的通信协议通常具有不同的协议效率。
协议效率越高,其通信有效性越好。
在通信参考模型的每个分层,都会有相应的层管理和协议控制的加码。
从提高协议编码效率的角度来看,减少层次可以提高编码效率。
通信效率:
数据帧的传输时间与用于发送报文的所有时间之比。
其中数据帧的传输时间取决于数据帧的长度、信号传输的速率、以及要传输数据的两个节点之间的距离。
用于发送报文的所有时间包括竞用总线或等待令牌的排队时间,数据帧的传输时间,以及用于发送维护帧等的时间之和。
通信效率为1,就意味着所有时间都有效地用于传输数据帧。
通信效率为0,就意味着总线被报文的碰撞、冲突所充斥
可靠性指标
误码率
误码率是衡量数字通信系统可靠性的指标。
它是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率
N为传输的二进制码元总数,Ne为被传输错的码元数
理论上应有N→∞。
N足够大时,才能把Pe在近似为误码率。
误码率是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数。
实际的数据传输系统,不能笼统地说误码率越低越好,在数据传输速率确定后,误码率越低,数据传输系统设备越复杂,造价越高。
计算机通信的平均误码率要求低于10-9
通信信道的频率特性
描述通信信道在不同频率的信号通过以后,其波形发生变化的特性
幅频特性指不同频率信号,通过信道后其幅值受到不同衰减的特性。
相频特性是指不同频率的信号通过信道后,其相角发生不同程度改变的特性。
信号通过实际信道后的波形可能产生畸变。
如果信号的频率在信道带宽范围内,则传输的信号基本上不失真,否则,信号将失真。
实际传输线路存在电阻、电感、电容,由它们组成分布参数系统。
由于电感、电容的阻抗随频率而变,使得信号的各次谐波的幅值衰减不同,相角变化不同。
介质带宽
数字信号的频谱与带宽:
数字信号可以被分解成无穷多个频率、幅度、相位各不相同的正弦波。
传输数字信号相当于是在传送无数多个简单的正弦信号。
信号所含频率分量的集合称为频谱。
频谱所占的频率宽度称之为带宽。
有效频谱与带宽:
以一定的幅度门限为依据,信号中幅度超过门限的频谱为该信号的有效频谱。
有效频谱的频带宽度称之为有效带宽。
实际传输介质只能传输某些频率范围内的信号。
部分频率分量在传输过程中被严重衰减,会导致接收端信号变形。
介质能传输的信号的频率范围称为介质带宽,一种介质只能传输有效带宽在介质带宽范围内的信号。
如果介质带宽小于信号的有效带宽,信号就可能产生失真
当传输速率升高时,信号的有效带宽会随之增加。
因而需要传输介质具有更大的介质带宽。
换句话说,传输介质的带宽会限制传输速率的增高
信道容量
香农计算公式
信道带宽W,信噪比S/N
提高带宽或信噪比能增加信道容量;在信道容量一定时,带宽与信噪比之间可以相互弥补。
信噪比对信道容量的影响
S/N=10db,W=3000时
S/N=20db,W=3000时
信道容量随信噪比的提高增加了许多
由于噪声功率N=Wn0(n0为噪声的单边功率谱密度),因而随着带宽W的增大,噪声功率N也会增大。
所以增加带宽W并不能无限制地使信道容量增大。
数据的传输速率应该在信道容量容许的范围之内
数据编码
用0、1序列的不同组合来表达不同的信息内容,如用2位二进制码的4种不同组合00、01、10、11,可来分别表示某个控制电机处于断开、闭合、出错、不可用4种不同的工作状态。
8位二进制码的256种不同组合可来表可来表示扩展的二进制编码
通过编码把一种0,1的组合与一个确定的内容联系起来
电报通信中的莫尔斯码;博多码(用5位表示一个字符或字母,在电报业沿用至今)
数据通信系统中采用最为广泛的编码是ASCII(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)
工业数据通信系统中还有大量不经过任何编码而直接传输的二进制数据
数字数据编码波形
将数据按编码转换成适合于传输的物理信号
工业数据网络通信系统中所传输的大多为二元码,它的每一位只能在1或0两个状态中取一个。
这每一位就是一个码元。
采用用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0,1状态的,称为摸拟数据编码。
用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0、1状态的,称为数字数编码
数字数据编码波形:
单极性码:
信号电平是单极性的,如逻辑1用高电平,逻辑0为0电平的信号表达方式。
双极性码:
信号电平为正、负两种极性的。
如逻辑1用正电平,逻辑0为负电平的信号表达方式
归零码(RZ):
在每一位二进制信息传输之后均返回零电平的编码。
例如双极性归零码的逻辑1只在该码元时间中的某段(如码元时间的一半)维持高电平后就回复到零电平,其逻辑0只在该码元时间的一半维持负电平后也回复到零电平
非归零码(NRZ):
在整个码元时间内都维持有效电平的编码方式。
差分码:
用电平的变化与否来代表逻辑“1”和“0”。
电平变化代表“1”,不变化代表“0”。
差分码按初始状态为高电平或低电平,有相位截然相反两种波形。
平衡传输和非平衡传输。
平衡传输指无论“0”或“1”都是传输格式的一部分;而非平衡传输中,只有“1”被传输,“0”则以在指定的时刻没有脉冲来表示。
曼彻斯特编码(ManchesterEncoding)
特点:
具有内在的时钟信息,使网络上各节点保持时钟同步。
曼彻斯特编码把时间划分为等间隔的小段,其中每小段代表一个比特。
每个比特时间又被分为两半,前半个时间段所传信号是该时间段传送比特值的本身,后半个时间段传送的是比特值反码.从高电平跳变到低电平表示1,从低电平跳变到高电平表示0。
其中间点总有一次信号电平的变化,因而携带有信号传送的同步信息。
无需另外传送同步信号。
差分曼彻斯特编码
起点电平变化代表“1”,不变化代表“0”
也可令起点电平变化代表“0”,不变化代表“1”
理想方波信号包含从零到无限高的频率成分,而介质允许传输的带宽是有限的,为了与线路传输特性匹配,除很近距离的传输外,一般采用低通滤波器将矩形波整形成为变换点比较圆滑的基带信号,接收端则在每个码元的最大值(中心点)取样复原
曼彻斯特编码为一种典型的基带信号编码
模拟数据编码
模拟数据编码采用模拟信号来表达数据的0,1状态。
信号的幅度、频率、相位是描述模拟信号的参数
幅值键控(ASKAmplitude-SheftKeying)又称键控调幅
频移键控(FSKFrequency-SheftKeying)又称键控调频
相移键控(PSKPhase-SheftKeying)又称键控调相
数据传输方式
据传输方式是指数据代码的传输顺序和数据信号传输时的同步方式
串行传输和并行传输
串行传输(SerialTransmission)中,数据流以串行方式逐位地在一条信道上传输。
每次只能发送一个数据位,发送方必须确定是先发送数据字节的高位还是低位。
同样,接收方也必须知道所收到字节的第一个数据位应该处于什么位置。
串行传输具有易于实现,在长距离连接中可靠性高等优点。
适合远距离的数据通信
并行传输(ParallelTransmission)是将数据以成组的方式在两条以上的并行通道上同时传输。
它可以同时传输一组数据位,每个数据位使用单独的一条导线,例如采用8条导线并行传输一个字节的8个数据位,另外用一条“选通”线通知接收者接收该字节,接收方可对并行通道上各条导线的数据位信号并行取样。
若采用并行传输进行字符通信时,不需要采取特别措施就可实现收发双方的字符同步。
串行传输和并行传输的区别在于组成一个字符或字节的各数据位是依顺序逐位传输还是同时并行地传输
典型应用事例:
计算机的串口与并口
同步传输与异步传输
在数据通信系统中,各种处理工作总是在一定的时序脉冲控制下进行的,而通信系统收发端工作的协调一致性又是实现信息传输的关键,这就是数据通信系统中的传输同步问题。
串行数据传输中的二进制代码在一条总线上以数据位为单位按时间顺序逐位传送,接收端按顺序逐位接收,接收端必须能正确地按位区分,才能正确恢复所传输的数据。
串行通信中的发送者和接收者都需要使用时钟信号。
通过时钟决定什么时候发送和读取每一位数据。
同步传输和异步传输是指串行通信中使用时钟信号的不同方式。
在同步传输中,所有设备都使用一个共同的时钟,这个时钟可以是参与通信的那些设备或器件中的一台产生的,也可以是外部时钟信号源提供的。
时钟可以有固定的频率,也可以间隔一个不规则的周期进行切换。
所有传输的数据位都和这个时钟信号同步。
每个数据位只在时钟信号跳变(上升或者下降沿)之后的一个规定的时间内有效。
接收方利用时钟跳变来决定什么时候读取每一个输入的数据位。
如发送者在时钟信号的下降沿发送数据字节,接收者则在时钟信号中间的上升沿接收并锁存数据。
也可以利用所检测到的逻辑高或者低电平来锁存数据
同步传输可用于一个单块电路板的元件之间传送数据,或者用于电缆连接在30~40cm甚至更短距离的数据通信
适合高速传输的要求
需要一条额外的线来传输时钟信号
长距离的数据通讯时同步传输的代价较高,容易受到噪声的干扰
异步传输中,每个通信节点都有自己的时钟信号。
每个通信节点必须在时钟频率上保持一致,并且所有的时钟必须在一定误差范围内相吻合。
当传输一个字节或数据帧时,通常会包括一个起始位来同步时钟。
异步又称起止(start-stop)同步
异步方式中,并不要求收发两端在传送信号的每一数据位时都同步。
例如在传输字符前设置一个启动用的起始位,预告字符的信息代码即将开始,在信息代码和校验信号结束后,也设置1个或多个终止位,表示该字符已结束。
在起始位和停止位之间,形成一个需传送的字符、数据、指令。
异步方式实现起来简单容易,频率的漂移不会积累,对线路和收发器要求较低。
但异步方式传输中,往往因同步的需要,要另外传输一个或多个同步字符或帧头,因而会增加网络开销
异步传输中的位同步、字符同步与帧同步
按传输数据的基本组织单位,又将同步分为位同步、字符同步和帧同步
位同步(bitsynchronous)。
收发两端的时钟同步即为一种位同步,它是所有同步的基础。
接收端可以从接收信号中提取位同步信号,在接收信号码元1和0的极性变化中,往往就包含了同步信息。
为了使数据传输系统具有最佳的抗干扰性能,保证数据准确地传递,要求位同步系统的定时信号满足:
(1)接收端与发送端时钟信号的频率相同
(2)时钟信号与数据信号间保持固定的相位关系。
字符同步(Characterorwordsynchronous):
在电报传输、计算机与其外设之间的通信中,通常以字符作为一个独立的整体进行发送,因而需要按字符同步。
字符同步将字符组织成组后连续传送,每个字符内不加附加位,每组字符之前必须加上一个或多个同步位或字符SYN。
接收端接收到同步位,并根据它来确定字符的起始位置。
帧同步(Framesynchronous):
数据帧是一种按事先约定将数据信息组织成组的形式
帧同步指数据帧发送时,收发双方以帧头帧尾为特征实行同步的工作方式。
它将数据帧作为一个整体,实行起止同步
在工业数据通信系统中涉及到的同步方式主要有位同步和帧同步
通信数据帧的构成
帧头
起始标志
控制域
数据域
校验域
帧尾
结束标准
通信线路的工作方式
单工通信:
指所传送的信息始终朝着一个方向,而不进行与此相反方向的传送,如设A为发送终端,B为接收终端,数据只能从A传送至B,而不能由B传送至A。
单工通信线路一般采用二线制
半双工通信:
指信息流可在两个方向上传输,但同一时刻只限于一个方向传输。
如信息可以从A传至B,或从B传至A,所以通信双方都具有发送器和接收器。
实现双向通信必须改换信道方向。
半双工通信采用二线制线路,当A站向B站发送信息时,A站将发送器连接在信道上,B站将接收器了解接在信道上,而当B站向A站发送信息时,B站则要将接收器从信道上断开,并把发送器接入信道。
全双工通信是指指信息流可同时在两个方向上传输,它相当于把两个相反方向的单工通信方式组合在一起。
这种方式常用于计算机——计算机之间的通信
信号的传输模式
基带传输:
在基本不改变数据信号频率的情况下,在数字通信中直接传送数据的基带信号,即按数据波的原样进行传输。
它不包含有任何调制,是目前广泛应用的最基本的数据传输方式
载波传输:
用数字信号对载波进行调制后实行传输。
最基本的调制方式有上述幅值键控(ASK),频移键控(FSK)、相移键控(PSK)三种。
在载波传输中,发送设备要产生某个频率的信号作为基波来承载信息信号。
这个基波就称为载波信号,基波频率就称为载波频率。
然后按幅值键控,频移键控、相移键控等不同方式改变载波信号的幅值、频率、相位,形成调制信号后发送。
宽带传输:
由于基带网的带宽窄,不适于传输语言,图象等信息,随着多媒体技术的发展,计算机网络传输数据,文字,语音,图象等多种信号的任务愈来愈重,提出了宽带传输的要求。
宽带传输与基带传输的主要区别,一是数据传输速率不同。
基带网的数据速率范围为0~10Mbps,宽带网可达0~400Mbps;二是宽带网可划分为多条基带信道。
能提供良好的通信路径。
异步转移模式ATM
AsynchronousTransferMode)
ATM是一种新的传输与交换数字信息的技术,也是实现高速网络的主要技术。
被规定为宽带综合业务数字网(B-ISDN)的传输模式。
这里的转移包含了传输与交换两方面的内容。
ATM是一种在用户接入、传输和交换级综合处理各种通信问题的技术。
它支持多媒体通信,包括数据,语音和视频信号,按需分配频带,具有低延迟特性,速率可达155Mbps到2.4Gbps,也有25Mbps和50Mbps的ATM技术。
在ATM网络中,所有报文以固定长度的数据单元发送。
分报文头(Header)和有效信息域(Payload)两部分。
数据单元长度为53个字节,报文头占5个字节,其余48个字节为有效信息域。
有效信息域采用透明传输,不执行差错控制。
数据流采用异步时分多路复用
差错控制
1.差错控制是为提高通信系统的传输质量而提出的有效地检测错误,并进行纠正的方法,称作差错检测和校正,简称为差错控制。
差错控制的主要目的是减少通信中的传输错误。
2.差错检测是让报文分组中包含使接收端发现差错的冗余信息,但它不能确定是哪一比特出错,自己也不能纠正传输中的差错。
差错检测原理简单,实现容易,编码与解码速度快,在工业数据通信中得到广泛使用。
3.差错纠正是让每个传输的报文分组中带有足够的冗余信息,以便接收端能发现并自动纠正传输错误。
差错纠正在功能上优于差错检测,但实现复杂,造价高。
差错的检测方法
差错检测并不识别哪个或哪些位出现了错误,仅仅识别出错误的出现,差错检测最常用的方法:
冗余:
对每个字符都传输两次。
如果没有能够连续两次收到相同的字符,就意味着发生了一个传输错误。
回送被用在操作人员手工从键盘输入数据的通信系统中。
把接收端收到的每一个字符都回送给操作人员,让操作人员来确认字符确确实实被正确输入了。
如果在回送字符期间出现了传输错误,就要进行重复传输。
奇偶校验:
在奇偶校验中,将奇偶校验位加在每个字符上,以使得一个字符中1的总个数要么是奇数(奇校验),要么是偶数(偶校验)。
奇偶校验有可能漏掉大量的错误,但应用起来非常简单。
求和校验:
在发送端和接收端都对传输的数据进行求和操作,在发送端将校验和附加在数据信息之后。
如果接收端的校验和与发送端的校验和不同,就表明发生了错误。
校验和方法能检测出95%的错误,但与奇偶校验方法相比,增加了计算量。
循环冗余校验CRC(CyclicRedundancyCode)
将要发送的数据位序列当作一个多项式f(x)的系数,用预先约定的生成多项式G(x)去除,求得一个余数多项式。
将余数多项式加到数据多项式之后发送到接收端。
接收端用同样的生成多项式G(x)去除接收数据多项式f’(x),得到计算余数多项式。
如果计算余数多项式与接收余数多项式相同,则表示传输无差错;如果计算余数多项式不等于接收余数多项式,则表示传输有差错
CRC错误检查方法能够检测出大约99.95%的错误,计算量较大
生成多项式G(x)
CRC-12G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1
CRC-16G(x)=x16+x15+x2+1
CRC-CCITTG(x)=x16+x12+x5+1
CRC-32G(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1
CRC校验的工作过程
1在发送端,将发送数据多项式f(x).xk,其中k为生成多项式的最高幂值,例如CRC-12的最高幂值为12,则发送f(x).x12;对于二进制乘法来说,f(x).x12的意义是将发送数据位序列左移12位,用来存入余数
2.将f(x).xk除以生成多项式G(x),得:
式中R(x)为余数多项式
3.将f(x).xk+R(x)作为整体,从发送端通过通信信道传送到接收端;
4.接收端对接收数据多项式f’(x)采用同样的运算,即
求得计算余数多项式;
5.接收端根据计算余数多项式R’(x)是否等于接收余数多项式R(x)来判断是否出现传输错误。
规则:
CRC校验码的生成采用二进制模二算法,即减法不借位,加法不进位的异或操作。
例:
1)发送数据序列为110011(6比特);
2)生成多项式比特序列为11001(5比特,K=4);x4+x3+1
3)将发送数据比特序列乘以24,那么产生的乘积应为1100110000;
4)将乘积用生成多项式比特序列去除,求得余数比特序列为1001;
5)将余数比特序列加到乘积中得:
1100111001
6)如果在数据传输过程中没有发生传输错误,那么接收端接收到的带有CRC校验码的接收数据比特序列一定能被相同的生成多项式整除
差错的纠正方法
差错纠正的两种最常用的方法:
重新传输。
当检测到一个错误时,接收端自动地请求重新传输这条信息,这种方法经常被称作ARQ,即自动
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